铝合金表面B4C颗粒增强Al基复合熔覆层及制备方法与流程

本发明涉及材料表面科学与陶瓷增强Al基复合涂层及其制备方法，更确切地说，本发明涉及铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层及制备方法。

背景技术：

铝合金质量轻、比强度高、耐大气腐蚀、无低温脆性、非磁性、易加工成形，广泛应用于航空航天、汽车机械、电子工业以及国防军工等领域，但其耐磨损、抗冲蚀性能差，限制了其在钻探采掘（如铝合金钻杆）、高速列车、轻质装甲等领域的应用范围。为了解决铝基材料这一性能短板，近年来铝基复合材料，特别是陶瓷增强铝基复合材料，得到了广泛的研究。

碳化硼（B₄C）陶瓷是已知最坚硬的三大材料之一，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，且密度低（2.52g/cm³）、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好，特别是其具有优良的中子捕获能力，且易于制造，价格比后两种超硬材料低廉，在耐磨材料，尤其在轻质装甲、核反应堆中子吸收剂等方面应用广泛。但大块的B₄C 脆性大，很难单独作为结构材料使用。B₄C颗粒增强铝基复合材料很好地满足了轻量化和耐磨损双重要求。目前，B₄C颗粒增强铝基复合材料主要采用铸造、粉末冶金等工艺方法制备。由于B₄C硬度高，对工、模具伤害大，一次成型后很难再进行后续加工，限制了B₄C颗粒增强铝基复合材料的应用。而B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层制备，作为最后一道工序，不影响铝合金前序加工成形，既能满足使用性能需要，又能解决工艺性能要求。

与整体B₄C颗粒增强铝基复合材料相比，B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层不影响常规铝合金结构件的制造及基体性能，且表面强化效果更好、成本更低、制备过程更简单，因此我们致力于在铝合金表面制备B₄C颗粒增强铝基复合涂层。

由于铝及其合金表面有一层致密的氧化膜，传统方法很难将陶瓷颗粒导入铝合金表层并形成冶金结合，采用喷涂技术导入到金属表面的陶瓷颗粒只能形成机械镶嵌，结合强度低，使用过程中容易脱落。国内外采用铸造、粉末冶金等方法整体制备陶瓷颗粒增强铝基复合材料的报道较多，但到目前，在铝合金表面制备陶瓷增强Al基复合熔覆层的工作尚较为少见。

中国发明专利公开号为CN101733550A，公开日为2010.06.16，发明创造名称为“一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置”，专利报道了一种适合激光作为热源的丝-粉复合熔覆成形方法，但只适用于Fe基涂层的制备，不能调节送粉角度。

中国发明专利公开号为CN101722346A，公开日为2010.06.09，发明创造名称为“CO₂气体保护-喷射送粉复合堆焊工艺”，专利也报道了一种粉-丝复合表面堆焊的工艺，其采用的是与焊丝同轴送粉的方式，不能调节送粉角度，也只适用于Fe基涂层的制备。

中国发明专利公开号为CN103273170A，公开日为2013.09.04，发明创造名称为“一种陶瓷增强铁基耐磨复合涂层的堆焊方法”，专利所报道的陶瓷增强铁基耐磨复合涂层，即采用的是“CO₂气体保护-喷射送粉复合堆焊工艺”，同样只适用于Fe基复合涂层的制备。

并且，激光、等离子等高能束热源温度太高，可将导入的陶瓷颗粒直接熔解；此外，目前的堆焊、熔覆手段，无法破除铝合金表面致密的氧化膜而有效导入陶瓷增强颗粒。从文献检索知，目前国内外尚未见到有利用粉-丝复合熔覆技术在铝合金表面制备B₄C颗粒增强Al基复合涂层的报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服传统技术难以破除铝及其合金表面快速生成的致密氧化膜，解决B₄C颗粒质量轻不易送粉且与铝合金熔液润湿差，将B₄C颗粒有效导入铝合金表层并形成冶金结合良好的Al基复合熔覆层的问题。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的，铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层，结合粉-丝复合熔覆的技术方案，其特征在于：其中B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层由铝合金基体和B₄C颗粒组成，利用熔化极惰性气体保护焊- MIG焊，向铝合金表面过渡铝合金焊丝的同时，辅助旁侧注射B₄C颗粒融入Al基熔覆层，即为在铝合金表面制备B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层。

进一步的改进在于：其中熔覆层中的B₄C颗粒非均匀分布；表层的B₄C颗粒覆盖率在30%～40%，自表面沿深度方向的含量逐渐减小。

进一步的改进在于：所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层厚度为2～3mm。

进一步的改进在于：所述的B₄C颗粒尺寸为120目；熔覆层Al基体用铝合金丝材为直径1.2mm的ER5356焊丝，用到的铝合金基板材料牌号为5052、2A16、ZL101。

铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层的制备方法，其特征在于：

该熔覆层的制备步骤如下：

（1）将B₄C颗粒（粉）单独置于送粉器中，铝合金焊丝固定在自动送丝机上，并将送粉喷嘴与熔化极惰性气体保护焊- MIG焊枪复合，调节焊枪高度和送粉喷嘴角度送丝和送粉，耦合点落在铝合金基板上；

（2）采用纯度为99.99%的高纯氩气作为保护气和送粉气，调节铝合金MIG焊参数和注射送粉参数；

（3）在铝合金表面启动MIG焊的同时，开启旁侧注射送粉，使B₄C颗粒注入铝合金熔池中。

进一步的改进在于：所述MIG焊的电流为50～80A单脉冲直流，电压为15～18V，保护气流量为12～15L/min；B₄C送粉速度1～2g/min，送粉气流量2～3L/min；熔覆速度300～400mm/min。

有益效果：

本发明的主要创新点是将铝合金MIG焊与注射熔覆技术相结合，很好地解决了B₄C颗粒难以突破铝合金表面氧化膜阻碍的难题，成功将B₄C颗粒比较均匀地导入到Al基熔覆层中，在铝合金表面形成B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层，实现了结构轻量化和耐磨损双重优越性能。

本发明的B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层与铝合金基板之间、熔覆层中的B₄C颗粒与Al基体之间的结合均良好，无明显的气孔、裂纹等缺陷；铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层的耐磨损性能好，相同条件下的磨损量不足正火态45钢的1/30。

本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层的制备方法是采用MIG堆焊+旁侧注射送粉的复合熔覆技术，利用了铝合金MIG焊电弧的阴极破碎氧化膜机制和注射粉末分散原理，采用铝合金焊丝和B₄C颗粒作为熔覆材料，纯氩气作为保护气和送粉气，原材料价格便宜。

本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层，与整体陶瓷增强铝合金复合材料相比，所用B₄C颗粒增强相只集中分布于结构件表层，B₄C颗粒用量大大减少，不影响铝合金件的前序加工，无模具、刀具消耗，简化了零件制造工艺，降低了生产成本；

本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层，与铝合金表面喷涂陶瓷涂层相比，孔隙率低，增强层厚度大，B₄C颗粒与Al基体形成冶金结合，而不是机械镶嵌，所以结合强度高，磨损过程中不易脱落；

本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层制备方法采用MIG焊电弧作为热源，温度较激光束、等离子弧等热源的温度低，不会导致B₄C颗粒熔解，MIG焊电弧的阴极破碎氧化膜能力强，铝合金表面无需严格的前期清理，生产效率高，对环境影响小，可通过调节MIG焊参数、送粉速度和粉-丝耦合角度来控制涂层尺寸、B₄C颗粒含量及分布梯度；

本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层的制备设备简单，只需MIG自动焊机和送粉器装置，易于自动化、规模化生产。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1 是本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层制备方法的原理图。

图中1是自动送丝机，2是保护气，3是MIG焊枪喷嘴，4是MIG焊枪导电嘴，5是B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层，6是铝合金焊丝，7是送粉器，8是B₄C颗粒注射喷嘴，9是熔池，10是铝合金基板，11是MIG焊机。

图2是本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层经10vol.%氢氟酸腐蚀5min后的表面形貌:(b)是(a)的局部放大。

图3是本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层的横断面形貌：(b)是(a)的局部放大。

图4是本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层和正火态45钢分别与100～200目氧化铝砂轮片进行销-盘磨损的质量损失对比（注：正火态45钢的显微硬度HV₃₀₀为200～220，圆柱销试样直径为4.8mm，磨损载荷为30N，磨损速度约为7.5m/min，磨损时间为10min）。

图5是正火态45钢（a）及本发明所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层（b）的磨损形貌。

具体实施方式

本发明如图1-5所示。

铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层，结合粉-丝复合熔覆的技术方案，其中B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层5由铝合金基体和B₄C颗粒组成，利用熔化极惰性气体保护焊- MIG焊，向铝合金表面过渡铝合金焊丝的同时，辅助旁侧注射B₄C颗粒融入Al基熔覆层，即为在铝合金表面制备B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层5。

其中熔覆层中的B₄C颗粒非均匀分布；表层的B₄C颗粒覆盖率在30%～40%，自表面沿深度方向的含量逐渐减小。

所述的铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层厚度为2～3mm。

所述的B₄C颗粒尺寸为120目；熔覆层Al基体用铝合金丝材为直径1.2mm的ER5356焊丝，用到的铝合金基板材料牌号为5052、2A16、ZL101。

铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层的制备方法，

该熔覆层的制备步骤如下：

（1）将B₄C颗粒-粉末单独置于送粉器中，铝合金焊丝固定在自动送丝机上，并将送粉喷嘴与熔化极惰性气体保护焊-MIG焊枪复合，调节焊枪高度和送粉喷嘴角度送丝和送粉，耦合点落在铝合金基板上；

（2）采用纯度为99.99%的高纯氩气作为保护气和送粉气，调节铝合金MIG焊参数和注射送粉参数；

（3）在铝合金表面启动MIG焊的同时，开启旁侧注射送粉，使B₄C颗粒注入熔化后的铝合金焊丝中。

所述MIG焊的电流为50～80A单脉冲直流，电压为15～18V，保护气流量为12～15L/min；B₄C送粉速度1～2g/min，送粉气流量2～3L/min；熔覆速度300～400mm/min。

铝合金表面B₄C颗粒增强Al基复合熔覆层5的制备方法和步骤如下：

1.预备工作：

将B₄C颗粒（粉）装入送粉器7中，铝合金焊丝6固定在自动送丝机1上，并保持送丝、送粉通畅；用砂纸打磨去除铝合金基板10表面的氧化皮及油污，用毛刷清理表面灰尘，将铝合金基板10装夹在载物台上；将MIG焊机11的负电极线缆与载物台夹持牢固，将MIG焊枪喷嘴3和B₄C颗粒注射喷嘴8同时固定于可实现自动行走的机构上，例如可编程机床。

2.MIG焊工艺参数调试：

保证MIG焊枪喷嘴3垂直于铝合金基板10，MIG焊枪喷嘴3到铝合金基板10的距离10～15mm，根据铝合金基板10的厚度调试电流、电压、熔覆速度等工艺参数，以形成厚度小于2mm的扁平铝合金堆焊层为宜。

3.送粉工艺参数调试：

B₄C颗粒注射喷嘴8孔径为1.6mm，调节B₄C颗粒注射喷嘴8与铝合金基板10的夹角， 以70°～80°为宜，且应迎坡送粉，即送粉方向与熔敷方向相反，保证B₄C颗粒注入熔池9中心，且避免与伸出MIG焊枪导电嘴4的焊丝6干涉，送粉气流量2～3L/min，B₄C颗粒的送粉速度1～2g/min。

4.粉-丝复合熔覆：

打开保护气2和送粉气的阀门，启动MIG焊机11和送粉器7的电源，打开送粉器7的开关送粉，启动MIG焊机11的起弧开关起弧并送丝，运行自动行走机构进行粉-丝复合熔覆，熔覆速度参考同种规格铝合金MIG焊速度，熔覆功率比同种规格铝合金表面MIG堆焊高100～200W，保持熔覆层厚度为2～3mm。具体实施案例及工艺参数如表1所示。

表1实施例案例及工艺参数表

注：所用MIG焊机为Fronius TPS 4000，熔覆电流为单脉冲直流。